1 智能化汽車實訓(xùn)臺架的功能和硬件介紹
教學(xué)用的智能化汽車實訓(xùn)臺架需要實現(xiàn)以下功能：
a.能夠自動前進(jìn)和后退;
b.能夠沿所畫的道路線行駛（含彎道）；
c.遇到所畫道路線中的固定障礙物能夠變道行駛，如果只有一個車道實訓(xùn)臺架要能停車避讓;
d.行駛速度不能過快,要小于10km/h。
針對實訓(xùn)臺架要實現(xiàn)的功能，必須配備以下配置:
a. 一個帶輪子的底盤,前輪可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向;
b.一個VCU,兩個伺服電機(jī)和兩個配套的伺服電機(jī)控制器，一個位置傳感器。其中，一個伺服電機(jī)控制輪胎的前進(jìn)和后退，由于車速慢底盤行駛系統(tǒng)未做優(yōu)化，所以制動采用前進(jìn)信號終止后，加一個短時間的后退信號實現(xiàn)制動功能，另一個伺服電機(jī)控制前輪的左右轉(zhuǎn)向，位置傳感器控制左右轉(zhuǎn)向的最大轉(zhuǎn)向度,VCU整體控制協(xié)調(diào)線性底盤的工作情況;
c.一個雙目攝像頭和上位機(jī)來識別道路線和障礙物，其中上位機(jī)內(nèi)寫入程序，處理攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)的信號，做出自動駕駛的具體指令，傳送信號給VCU讓線性底盤動作;
d.一個激光雷達(dá)和四個超聲波雷達(dá)，在光線不好的情況下識別障礙物;
e.一個制動燈和兩個轉(zhuǎn)向燈,可視化線性底盤的動作;
f, 一塊顯示屏和鼠標(biāo)鍵盤外接設(shè)備可以操作智 能化的程序；
g，一個48V鋰電池組作為實訓(xùn)臺架動力,配套 BMS電池管理系統(tǒng)。
綜上智能化汽車所需零件主要為：一個線性底盤（包含兩個伺服電機(jī)控制器和兩個伺服電機(jī)、一套位置傳感器、一個車架、一套可轉(zhuǎn)向的輪胎）；一套燈光系統(tǒng)（轉(zhuǎn)向和制動燈光）；一個雙目攝像頭；一個激光雷達(dá);一套超聲波雷達(dá);一個顯示器和鼠標(biāo)鍵盤;一個上位機(jī);一個VCU ；一套電池模塊。動力連線如圖1所示。
2 各部件通信的實現(xiàn)
對于上述元器件,在動力電路搭建完畢后就要考慮各元器件通信的問題。除了燈光系統(tǒng)是單方面控制開閉沒有通信的問題外，其他所有的元器件都是以上位機(jī)和VCU為核心進(jìn)行通信。
激光雷達(dá)、雙目攝像頭、超聲波雷達(dá)和上位機(jī)通信將信號通信給上位機(jī)，上位機(jī)內(nèi)寫有程序，根據(jù)這些程序算出實現(xiàn)實訓(xùn)臺架執(zhí)行器工作的指令信息。顯示屏和鼠標(biāo)鍵盤這些外設(shè)設(shè)備也和上位機(jī)通信，可以通過這些外設(shè)來運行、調(diào)整程序。
位置傳感器、兩個伺服電機(jī)控制器和VCU進(jìn)行通信。VCU根據(jù)上位機(jī)計算的結(jié)果對伺服電機(jī)控制器進(jìn)行控制驅(qū)動，伺服電機(jī)控制器和伺服電機(jī)的連接是配套的。位置傳感器結(jié)構(gòu)簡單,只負(fù)責(zé)固定轉(zhuǎn)向位置的信號發(fā)送。
上位機(jī)和VCU、電池的管理系統(tǒng)相互進(jìn)行通信。通信的連接如圖2所示。
圖2 智能化汽車通信連接示意圖
雙目攝像頭、激光雷達(dá)、超聲波雷達(dá)、顯示屏、鼠標(biāo)、鍵盤等,這些元器件由于預(yù)算原因都直接購買的標(biāo)準(zhǔn)件成品，其中攝像頭、鼠標(biāo)、鍵盤自帶USB串口通信，激光雷達(dá)和超聲波雷達(dá)用的是USB接口，通信協(xié)議為USB轉(zhuǎn)RS232,顯示屏有專用的顯示屏連接線。連接過程中發(fā)現(xiàn)USB接口比較多，因為部分元器件供電和通信都依靠USB接口，所以在上位機(jī)處加增一個USB擴(kuò)展，來處理這部分元器件供電和通信的需求。
剩下的上位機(jī)、VCU、伺服電機(jī)控制器、BMS電池管理系統(tǒng)存在較大的選擇空間。一方面這四個元器件在整個系統(tǒng)中比較重要，通信信息密度較高，另一方面這四個元器件的外接口多樣，對多種通信協(xié)議兼容。
3 關(guān)鍵元器件通信選擇的思路和實施
在上位機(jī)、VCU、伺服電機(jī)控制器、BMS電池管理系統(tǒng)的通信中,一般有LIN通信和CAN通信兩種選擇。由于對CAN通信具有以下優(yōu)點，最終選擇CAN通信應(yīng)用于實訓(xùn)臺架上。
3.1 無主從節(jié)點之分,組網(wǎng)靈活方便
這四種元器件中除了伺服電機(jī)控制器是對VCU通信的以外，其他的VCU、上位機(jī)、BMS電池管理系統(tǒng)都很重要，相互之間沒有明顯的主從之分，但LIN通信是一主多從的搭建方式。
CAN通信僅設(shè)計了一條總線,上位機(jī)、VCU、BMS電池管理系統(tǒng)的收發(fā)器都連接在總線上，任何時刻任何節(jié)點都可以發(fā)送信息，當(dāng)某一個收發(fā)器需要發(fā)送信息時就直接將信息發(fā)送到總線上，總線上所有的其他收發(fā)器都可以接收到該收發(fā)器發(fā)送的信息。而且CAN通信系統(tǒng)具有柔軟性，在總線上增加新的元器件，已經(jīng)在總線上的其他節(jié)點的軟硬件都不需要做出改變，方便日后擴(kuò)展。
3.2 通信速度快,延遲小
通信速度主要是受通信協(xié)議和配套的硬件影響，CAN通信擁有一套良好的協(xié)議來保證其通信速度。
在CAN通信中，元件發(fā)送的信息在硬件層面上是直接先發(fā)送到元件節(jié)點的CAN控制器上。在軟件層面上，通過調(diào)取周期性的寫入指令，將元器件發(fā)送的信息寫入到CAN控制器中的寄存器上，再由CAN控制器上的寄存器暫時將這些信息存起來。在CAN控制器上寄存器中的信息是PDU（協(xié)議數(shù)據(jù)單元），PDU中間包含SUD（數(shù)據(jù)）、PCI（來自哪，要去哪的信息），這樣每次信息到了要到達(dá)的地方會自動刪除掉之前的信息，添加SUD要去哪的信息（不同層的PCI更新）。
將SUD通過CAN控制器中的數(shù)據(jù)鏈路層補(bǔ)全成協(xié)議幀。SUD經(jīng)過邏輯鏈路子層（LLC）后由三個位段組成，分別為ID段、數(shù)據(jù)長度編碼和數(shù)據(jù)。再經(jīng)過介質(zhì)訪問控制子層（MAC）后數(shù)據(jù)要被打包的這個過程包括:LLC數(shù)據(jù)幀的接收、CRC序列計算、增加SOF位、SRR位、IDE位、RTR位、保留位、CRC位、ACK位和EOF位到LLC數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)打包過程包括；數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路層中逐步由SUD添加成CAN協(xié)議幀，然后發(fā)送介質(zhì)訪問管理,再通過總線發(fā)送給對方元器件節(jié)點的CAN收發(fā)器。整個協(xié)議定義如圖3所示。
圖3 數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)鏈路層傳輸示意圖
在任何時刻多個元器件的節(jié)點都可以發(fā)送信息。如果當(dāng)總線上已經(jīng)有節(jié)點在發(fā)送信息，其他元器件的節(jié)點就會等該節(jié)點發(fā)送完成后再發(fā)送，如果某兩個元器件的節(jié)點同時向總線發(fā)送信息，就需要對比這兩個信息的開頭所顯示的重要性等級，重要性高的節(jié)點先發(fā)送信息，這個過程叫仲裁。仲裁失敗的節(jié)點轉(zhuǎn)為接收，這個過程不破壞總線信息的發(fā)送。因LIN通信是主節(jié)點安排各個節(jié)點收發(fā)時間，并不利于信息的及時傳遞。
由于CAN通信協(xié)議的定義，CAN通信的最大傳輸速度為1Mbit/s,遠(yuǎn)大于LIN通信的最大傳輸速度20Kbit/so因為傳輸速度的快慢決定了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)最大的復(fù)雜度，所以在傳輸速度方面CAN通信更優(yōu)秀。
3.3 信息傳遞準(zhǔn)確，抗干擾能力強(qiáng)
CAN通信一共有兩種狀態(tài)，分別表示為1和0,但是CAN通信是一種雙絞線，擁有CAN-H和CAN-L兩種結(jié)構(gòu)，直接信號表示為CAN-H和CAN-L發(fā)送的電壓不同的差分信號，需要將差分信號通過定義轉(zhuǎn)變?yōu)楸忍匦盘?。一般定義如下：顯性狀態(tài)CAN-H信號電壓3.5V,CAN-L電壓1.5V,表示邏輯0；隱性狀態(tài)CAN-H和CAN-L電壓均為2.4V,表示邏輯1。當(dāng)總線上出現(xiàn)一個顯性狀態(tài)即邏輯0時，總線上其他隱性狀態(tài)即邏輯1都會變?yōu)轱@性狀態(tài)邏輯0,如圖4所示。
圖4 高速CAN信號定義示意圖
由于CAN通信的雙絞線為CAN-H、CAN-L結(jié)構(gòu)，因此CAN通信的抗干擾能力強(qiáng)，優(yōu)于LIN通信的單線結(jié)構(gòu)。
CAN通信對于協(xié)議幀的設(shè)計，使得CAN通信的數(shù)據(jù)傳遞更為準(zhǔn)確。CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀由幀起始（SOF）、仲裁段、控制段、數(shù)據(jù)段、CRC段、ACK段、幀結(jié)束段（EOF）組成。
a.幀起始段:CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的幀起始段由一個位的顯性位組成。由于總線在沒有消息發(fā)送時候的空閑狀態(tài)為隱性，幀起始的顯性位表明開始發(fā)送CAN協(xié)議幀。
b.仲裁段:CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的仲裁段由11位基本ID和一位RTR。仲裁段是各個信息同時向總線發(fā)送時誰能獲得發(fā)送權(quán)的依據(jù)。
c.控制段：CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的控制段，由一位IDE一位r。的保留位和四個位的DLC（數(shù)據(jù)長度編碼）組成。
d.數(shù)據(jù)段:CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)段，包含0~8個字節(jié)（byte）,其中一個字節(jié)包含8個位（bit）。這一段是CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)幀需要傳遞的信息。
e.CRC段:CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的CRC段（循環(huán)冗余校驗段）由15個位的CRC序列（循環(huán)冗余校驗序列），以及一個位的CRC分界（循環(huán)冗余校驗分界）組成。
f.ACK段:CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的ACK段（應(yīng)答段），由一位ACKSolt（應(yīng)答槽）和ACKDelimiter（應(yīng)答界定符）組成。
g.幀結(jié)束段（EOF）:CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀的幀結(jié)束段，由七個位的隱性位構(gòu)成,通知所有的接收節(jié)點發(fā)送信息結(jié)束。
經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，協(xié)議幀中控制段的DLC（數(shù)據(jù)長度編碼）的四個位表明數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)的長度。CRC段是根據(jù)多項式生成的CRC值（循環(huán)冗余校驗值），在接收信息的節(jié)點接收到該條信息后，會在接收節(jié)點的CAN控制器中對該條信息的CRC序列（循環(huán)冗余校驗序列）進(jìn)行校驗，確定該條信息的正確與否°ACK段接收信息的節(jié)點在接收到正確信息時，會反饋一個顯性狀態(tài)的ACKSolt（應(yīng)答槽），發(fā)送節(jié)點接收到顯性狀態(tài)的ACKSolt（應(yīng)答槽）后就知道信息被正常接收了。總計七個段的協(xié)議幀中有三個段來保證信息傳遞的準(zhǔn)確。
LIN通信中的校驗要明顯少于CAN通信，因此CAN通信的數(shù)據(jù)傳達(dá)更準(zhǔn)確可靠。
3.4 具有可靠的通信錯誤檢驗和處理能力
在CAN通信中，當(dāng)元器件的節(jié)點檢測到信息錯誤時會發(fā)送錯誤幀。隨著錯誤幀的累積，該節(jié)點會在三種錯誤狀體中的一種中，即主動錯誤狀態(tài)、被動錯誤狀態(tài)、總線關(guān)閉狀態(tài)。
主動錯誤狀態(tài):發(fā)送錯誤大于0小于127次，接收錯誤大于0小于127次,此時節(jié)點輸出主動錯誤標(biāo)識，處于主動錯誤狀態(tài)。在主動錯誤狀態(tài)下，節(jié)點還可以正常參加總線通信。
被動錯誤狀態(tài)：當(dāng)節(jié)點發(fā)送錯誤和接收錯誤大于127次但是小于255次時，節(jié)點被認(rèn)為處于被動錯誤狀態(tài)。由于該節(jié)點發(fā)送和接收到的錯誤過多會被懷疑整個節(jié)點損壞，所以發(fā)送和接收的信息不夠可信。處于被動錯誤狀態(tài)的單元即使檢測到錯誤，如果其他處于主動錯誤狀態(tài)的節(jié)點沒有發(fā)現(xiàn)錯誤，整個總線也將認(rèn)為沒有錯誤，因此處于被動錯誤狀態(tài)的節(jié)點檢測到錯誤后不能馬上發(fā)送下一條信息。在本次數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，下次數(shù)據(jù)發(fā)送之前的間隔期間必須插入八個隱性位的“延遲傳送”，當(dāng)處于被動錯誤狀態(tài)的節(jié)點檢測到錯誤時,將輸出被動錯誤標(biāo)識（連續(xù)六個隱性位，可以被其他節(jié)點信息的顯性位覆蓋）。
總線關(guān)閉狀態(tài)：當(dāng)節(jié)點發(fā)送錯誤和接收錯誤大于255次后就進(jìn)入到總線關(guān)閉狀態(tài)，信息的收發(fā)均被禁止。處于這個狀態(tài)的節(jié)點需重啟，在總線上檢測到128次連續(xù)的11個隱形位后該節(jié)點狀態(tài)變?yōu)橹鲃渝e誤狀態(tài)，可以進(jìn)行信息的收發(fā)，如圖5所示。
圖5 錯誤狀態(tài)轉(zhuǎn)換示意圖
以下五種情況節(jié)點會被認(rèn)為檢測到錯誤，并發(fā)送錯誤幀：
a.位錯誤：節(jié)點發(fā)送信息時，檢測到當(dāng)前總線的信號與發(fā)送的信號不一致，此時CAN線認(rèn)為產(chǎn)生了位錯誤，這個過程不包含位填充。
b.填充錯誤：在需要位填充的段內(nèi)，檢測到連續(xù)六個相同的電平位。
c.循環(huán)冗余校驗錯誤：從接收到的信息所計算出的循環(huán)冗余校驗結(jié)果與接收到的循環(huán)冗余校驗順序不一致時，認(rèn)為是循環(huán)冗余校驗錯誤。
d.格式錯誤:當(dāng)檢測到對應(yīng)的信息沒有按照要求的格式編寫時認(rèn)定為格式錯誤。
e.ACK錯誤:發(fā)送節(jié)點在ACKSolt（應(yīng)答槽）中檢測到隱性電平時所檢測到的錯誤（表明沒有節(jié)點接收到剛發(fā)送的信息）。
在LIN報文中檢測出錯誤時，將通過主任務(wù)、從任務(wù)丟棄數(shù)據(jù)。所以CAN通信在錯誤檢測處理過程中比較優(yōu)秀。
通過以上五點考慮,最后決定使用CAN通信。
4 結(jié)語
在新能源汽車越來越普及的今天，由于智能化功能被大量應(yīng)用，整車元器件對比以前普通燃油汽車有所增加，導(dǎo)致通訊系統(tǒng)復(fù)雜度變高。各個元器件的通信問題和普通燃油車相比更加頻繁，數(shù)據(jù)量更大，對于數(shù)據(jù)的抗干擾能力也有更嚴(yán)格的要求。
本文在制作教學(xué)用的智能化汽車實訓(xùn)臺架過程中，通過對CAN通訊系統(tǒng)在各元器件通訊組網(wǎng)的靈活性、通訊速率、信息傳抵抗干擾、檢測信息錯誤和處理錯誤信息這四個方面與LIN通訊進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵部件通信采用CAN通信連接,可使整個實訓(xùn)臺架在操作過程中能夠完成當(dāng)初設(shè)計時所需實現(xiàn)的功能，且為今后的實訓(xùn)臺架升級增加新的功能留有余地。
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